基于虛擬儀器的電機故障聲測系統

采用虛擬儀器技術(shù)構建了一套電機故障聲頻檢測系統。系統基于LabVIEW虛擬儀器軟件平臺，實(shí)現電機聲信號的實(shí)時(shí)采集、分析和后處理，達到檢測故障電機的目的。除了功率譜和1/3倍頻程分析，系統在LabVIEW平臺下，采用Matlab script節點(diǎn)方法完成小波變換，實(shí)現噪聲信號的特征向量提取?，F場(chǎng)應用表明該系統效果良好。

0 引 言

為了確保產(chǎn)品的高質(zhì)量，每臺電機出廠(chǎng)前都要進(jìn)行參數檢測。在規?；a(chǎn)的今天，電機檢測線(xiàn)是目前大部分電機生產(chǎn)廠(chǎng)家采用的出廠(chǎng)檢測方式。噪聲檢測是其中一個(gè)測試項目。通常的方法是讓檢測線(xiàn)經(jīng)過(guò)消音室，富有經(jīng)驗的工人在室內憑聽(tīng)覺(jué)辨別故障電機。這種方式對操作人員要求高，勞動(dòng)強度大，缺乏客觀(guān)性，不能保證質(zhì)量的穩定性，而且檢測速度慢，也嚴重影響了電機出廠(chǎng)試驗的速度與準確率。因此，電機廠(chǎng)家迫切需要改造現有的噪聲出廠(chǎng)檢測技術(shù)。

目前采用較多的方法有振動(dòng)診斷技術(shù)和聲頻診斷技術(shù)。振動(dòng)診斷技術(shù)是接觸式測量，需克服測試線(xiàn)線(xiàn)體振動(dòng)的影響，設備結構復雜，速度慢；而聲頻診斷技術(shù)為非接觸式測量。設備簡(jiǎn)單、速度快。為此，研制了基于美國NI公司軟件平臺LabVIEW的電機故障聲測系統。

1 虛擬儀器系統的構成

虛擬儀器是當今世界流行的一種儀器構成和檢測控制方案。虛擬儀器是一種開(kāi)放式的、將計算機平臺與具有標準接口的硬件模塊以及開(kāi)發(fā)測試軟件相結合的系統，具有通用性好和使用方便等特點(diǎn)。其典型的硬件結構為：傳感器一信號調理器一數據采集設備一計算機。電機故障聲測系統總體結構如圖1所示，由監聽(tīng)頭f傳聲器、放大和保護電路）、音頻卡和計算機組成[1]。

圖1電機故障聲測系統結構示意圖

監聽(tīng)頭采用多個(gè)傳聲器拾取被測電機多點(diǎn)噪聲信號，將空氣振動(dòng)信號轉換為電信號；音頻卡采用聲卡，實(shí)現噪聲電信號（模擬信號）與數字信號(WAV格式)的相互轉換；計算機記錄WAV格式數字信號，并對該波形進(jìn)行處理，判斷有無(wú)故障發(fā)生。

2 電機故障聲測軟件系統

LabVIEW是虛擬儀器概念的首創(chuàng )者。該軟件平臺綜合了GPIB、VXL PXIRS-232 RS-485以及數據采集卡等硬件通信的全部功能，提供了大量的信號處理函數和信號分析工具，便于用戶(hù)高速、快捷地構建虛擬儀器測試系統。因此本系統軟件部分采用圖形化軟件LabVIEW。系統的軟件總體結構框圖如圖2所示。

圖2 電機故障聲測系統軟件框圖

系統軟件完成的主要任務(wù)有：

(1)電機噪聲信號的顯示、記錄；

(2)信號分析（包括文件分析和實(shí)時(shí)分析）采用小波分析和頻域分析法，對非正常信號進(jìn)行報警和故障顯示：

(3)文件的保存和打??；

(4)電機與傳感器參數設置。

2.1信號采集

本系統采用聲卡作為噪聲采集工具。從分辨率看，一般微機多媒體聲卡為16位，取樣頻率為44.1/48kHz。而主流中高檔聲卡大多具備96kHz/24 bit的取樣精度，有的甚至達到了32位，噪聲水平和總諧波失真等指標較高，超越了絕大多數模擬設備的指標，并且價(jià)格較便宜。因此系統采用聲卡是可行的。

LabVIEW提供了完備的聲卡控制模塊。本文選擇“Sound Input”模塊。該模塊含有多個(gè)函數，實(shí)現對聲卡的設置、開(kāi)始、采集、停止和清內存的操作。圖3示出了一個(gè)通道的聲音采集程序框圖。系統中通道參數設置如下：輸入為單通道，16位采樣位數，44.1kHz采樣頻率；輸出為16位單通道。圖4示出了是某電磁故障電機的噪聲信號。

圖3聲音采集程序框圖

圖4某電磁故障電機噪聲信號

2.2信號分析

信號采集完畢后，程序自動(dòng)進(jìn)行處理和分析。采用頻域分析法得到噪聲信號的功率譜和1/3倍頻譜。便于測試人員觀(guān)察。圖4是圖3電機的功率譜。LabVIEW軟件可選購“聲音和振動(dòng)”工具包，可方便地進(jìn)行各種相關(guān)分析。圖5示出了某電磁故障電機噪聲功率譜。

圖5某電磁故障電機噪聲功率譜

電機是一個(gè)非常復雜的機械系統，其噪聲信號中蘊涵著(zhù)豐富的設備狀態(tài)信息。由于測得的聲音信息包含各種成份和干擾，屬于非平穩信號，而傳統的建立在傅里葉變換基礎上的濾波方法在提高信噪比和空間分辨率兩項指標上存在矛盾，因此系統采用小波技術(shù)作為特征提取工具。采用的主要方法是：

(1)小波變換軟閾值消噪方法。在一維信號的消噪算法中，最關(guān)鍵的是閾值的選取和閾值的量化，采用軟閾值消噪方法可以更準確地提取信號特征。

(2)小波變換的任意尺度重構，可以按照選擇的尺度進(jìn)行連續小波的重構，以提取信號特征。

在LabVIEW平臺下?？刹捎猛鈷斓男盘柼幚砉ぞ甙鼘?shí)現小波變換，也可在LabVIEW中調用Matab即Matlab Script節點(diǎn)方式。Matlab Script節點(diǎn)使用戶(hù)既可將．m程序導入流程圖，又可在流程圖中根據Matlab程序的語(yǔ)法編輯M程序。通過(guò)這種方式，用戶(hù)可以在LabVIEW中使用Matlab強大的數值運算功能。

使用Matlab腳本節點(diǎn)時(shí)必須注意：①Matlab腳本節點(diǎn)只能用于Windows平臺；②機器上必須安裝Matlab才能使用Matlab腳本節點(diǎn)；③LabVIEW和Matlab結合應用時(shí)必須注意Matlab腳本節點(diǎn)內外數據類(lèi)型的匹配，否則LabVIEW運行時(shí)將產(chǎn)生錯誤或錯誤的信息。